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半透膜

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半透膜

半透膜是一種只讓某些分子和離子擴散進出的薄膜，一般來說，半透膜只允許離子和小分子物質通過，而生物大分子物質不能自由通過半透膜，原因是半透膜的孔隙的大小比離子和小分子大，但比生物大分子例如蛋白質、澱粉等小，如羊皮紙、玻璃紙等都屬於半透膜。

發展歷史

1748年的一天，法國物理學家諾勒為了改進酒的製作水平，設計了這樣一個試驗：在一個玻璃圓筒中裝滿酒精，用豬膀胱封住，然後把圓筒全部浸在水中。當他正要做下一步的工作時，突然發現，豬膀胱開始向外膨脹，隨即發現水通過膀胱滲透進了圓筒，最後膀胱竟然被撐破。這是現代科學試驗中最早發現膜及膜的穿透作用的記錄。

1830年，法國生理學家杜特羅夏做了膜內外滲透壓試驗，他用一個鐘罩形的玻璃容器，下面用羊皮紙密封，從上面插進一支長玻璃管，容器中分別放入各種不同濃度、不同物質的溶液，然後把它浸入水槽中。於是觀察到玻璃管內液面上升，發現其升高值與溶液的濃度成正比。他解釋說，這個壓力是由於外面的水通過羊皮紙向溶液方向逸出而產生的，並命名這種現象為「滲透」。直到1854年英國科學家格雷厄姆在試驗中發現，放置在半透膜一側的晶體會比膠體更快的擴散到另一側，並應用到超純水機設計里，並提出了透析的概念。這時人們才對半透膜產生了興趣，並由德國生物化學家特勞白·莫里茨在1864年製造出了人類歷史上第一張人造膜——亞鐵氰化銅膜。

1960年，對於膜發展技術的歷史來說具有跨時代的意義。這一年人類終於實現了從苦鹹水中製取淡水的夢想，工作於美國加利福尼亞大學洛杉磯分校的科學家研製出了世界第一張非對稱醋酸纖維素反滲透膜，這種膜與以前的均質醋酸纖維素反滲透膜具有同樣高的脫鹽率，不同之處是在形態結構上是非對稱的，而且水的滲透量增加了近十倍。這種反滲透膜的成功研製，使反滲透過程從實驗室走向了工業應用。與此同時，這種用相轉化法製造非對稱分離膜的新工藝引起了學術、技術和工業界的廣泛重視。

特點

半透膜透過物質具有選擇性的薄膜。一般只允透過溶劑或溶劑和小分子溶質而不允許過大分子溶質。如玻璃紙只允許水透過蔗糖溶液中，而蔗糖分子不能透過；動物的膀胱允許水透過，而不允許酒精分子過；灼熱的鈀或鉑允許氫透過，而氬分子不能透過。半透膜可用多種高分子材料製成，用以分離不同分子量的物質，定滲透壓和氣體分壓等。半透膜主要應於膜分離技術中的反滲透和超濾。應用反滲透過程時稱為反滲透膜，它是具有水性基團的薄膜，膜不僅具有篩濾作還有對水分子的優先吸附作用。常於反滲透的膜有醋酸纖維素膜、芳香聚胺膜、聚苯並咪唑膜等。半透膜可以制板狀、管狀和中空纖維狀，也應用於擴滲析。膜的表皮層微孔孔徑為0.6~0.9nm，臨界孔徑為1.3nm。孔徑較大的半透膜應用於超過濾，稱為超過濾膜，它在0.07~0.7MPa（0.7~7kgf/cm2）壓力下工作，用於分離直徑10nm以內的分子和微粒，其透過性能屬篩分原理。在污水處理中用到的膜過程有電滲析、反滲透和超濾，其所用的均為半透膜。半透膜應用在工業廢水治理，有的已有生產規模，有的還在實驗室研究階段。

常見半透膜

醋酸纖維素膜

此膜的製造方法為用溶劑溶解醋酸纖維素，加以發孔劑，製成膜後，蒸去溶劑，並經一定的熱處理而成。所用溶劑為丙酮，也有用二氧六環的，發孔劑有Mg(ClO4)2、ZnCl2及HSPO4等。製成的膜有平板式、管式，螺旋卷式和中空纖維式之分。下面介紹複合型醋酸纖維素膜。

複合型醋酸纖維素膜的結構由表層和多孔層（底層）兩部分組成。表層（厚0.1～0.3微米）具有相當細密的微孔結構（孔徑<50埃），這就是半透膜，底層是一種海綿狀多孔結構，厚度為表層的200-500倍，孔較大（孔徑約400埃），且具有彈性，起着支撐表層的作用。反滲透運行時，溶液必須與表層接觸，不能倒置。醋酸纖維膜適用於pH範圍為3-7的溶液（長期使用范閹pH為4.5左右）。

聚酴胺膜

在1970年以前製成的主要是脂肪族聚酰胺膜，例如尼龍-66、尼龍-6等，這些膜的透水性很差。後來，製成了芳香族聚酰胺膜，它的透水性、除鹽率、機械強度和化學穩定性等都較好。它能在pH為4~10的範圍內使用（長期使用範圍為pH5～9）。芳香聚酰胺膜主要是製成中宜纖維。這類膜的鑄膜液通常是由芳香聚酰胺、溶劑和鹽類添加劑（作為助溶劑）三種組分組成。中空纖維膜系由溶液紡絲汝渤取：將一定濃度的芳香聚酰胺紡絲液，在一定溫度（如80~140℃)下通過環形中孔噴絲嘴噴出，經烘烤，蒸發和浸洗等步驟而製成。

製備方法

膠棉半透膜

1.在100mL燒杯中里加入10mL濃硝酸（14.1g/mL），配成混合溶液，冷卻到約20℃。把一小塊脫脂棉浸入混合溶液中8~10min取出後充分洗淨，涼干，得到纖維素硝酸酯。

2.在試劑瓶中取乙醚、乙醇各10mL，再加入1g上述乾燥的纖維素硝酸酯，不斷振盪，放置1~2天，就生成透明的膠棉液。

3.取3mL上述自製或市售5%的膠棉液，加入乾燥的150mL錐形瓶中，將錐形瓶橫斜不斷轉動使瓶的內壁和瓶口都均勻沾上膠棉液。倒出多餘的膠棉液，然後倒置約1min使乙醚、乙醇不斷蒸發，直到乾燥。逐步剝離瓶口的薄膜，沿瓶壁薄膜夾縫注入蒸餾水，使得薄膜逐步跟瓶壁分離，輕輕取出，浸入蒸餾水中備用。

羊皮紙半透膜

把定量濾紙放入盛有2:1的水-硫酸的燒杯中，用玻棒輕輕撳壓，使它浸沒均勻（玻棒和濾紙都不能帶水）。浸泡60~90s後取出，立即用蒸餾水洗淨，再放入1:1一水合氨的水溶液（即氨水）中，中和殘留的酸，取出在空氣中晾乾。

注意：

1、製作膠棉半透膜的錐形瓶一定要乾燥，否則難以成膜。

2、膠棉半透膜容易破裂，實驗前請保存在蒸餾水裡。

3、自製羊皮紙時，一定要控制硫酸的濃度和浸泡時間，還要注意在浸泡中濾紙不能重疊。